MẠNG VAØ CHUYỂN MẠCH
2.2.4 Cấu trúc khối chuyển mạch số dung lượng lớn 1Giới thiệu chung
Trong các ứng dụng thực tế của các khối chuyển mạch tín hiệu số ta thường phải giải quyết hai vấn đề là chất lượng phục vụ QoS (Quality of Service) và dung lượng cần thiết của khối chuyển mạch yêu cầu. Chất lượng phục vụ chủ yếu phụ thuộc vào hiện tượng blocking (Vướng nội) đã trình bày trong mục 2.2.2 và hiện tượng này với xác suất khá lớn khi chỉ sử dụng các chuyển mạch tầng S. Đối với tầng T như đã mô tả trên đây nó có thể bảo đảm chức năng chuyển mạch không blocking cho tất cả các khe thời gian trong luồng cao tín hiệu PCM mà nó đảm nhiệm phục vụ. Ví dụ với hệ thống 32 PCM 30/32 được ghép kênh số thành một luồng cao tốc độ PCM 1024 TS hướng tới chuyển mạch tầng T đơn lẻ thì tất cả 1024 TS, có thể được kết nối một cách tự do mà không gây hiện tượng blocking. Nếu một trường chuyển mạch được xây dựng bằng một tầng T như vậy thì dung lượng thực tế của nó là 512 TS để thực hiện kết nốu các kênh PCM theo cả hai chiều thu/phát. Tuy vậy, trong các ứng dụng thực tế ở tổng đài nội hạt, trường chuyển mạch ngoại việc tạo kênh cho kênh thoại còn phải tạo kênh cho báo hiệu vàđiều khiển. Do đó với một tầng T đơn thì trừờng chuyển mạch chỉ bào đảm được khảong 450 thuê bao nghĩa là dung lượng tổng đài quá nhỏ.
Ngoài ra đối với công nghệ chế tạo khi kích thước tầng S tăng lên thì số lượng chân ra của vi mạch cũng sẽ rất lớn gây khó khăn chế tạo vi mạch. Còn việc tăng dung lượng của chuyển mạch tầng T thì hạn chế bởi công nghệ chế tạo vi mạch nhớ RAM và các mạch logic điều khiển liên quan. Như vậy việc tăng dung lượng trường chuyển mạch sồ để đảm bảo cho số lượng thuê bao và trung kế lớn tuỳ ý theo yêu cầu chỉ còn cách phải xây dưng trường chuyển mạch sử dụng kết hợp chuyển mạch T và S tiêu chuẩn. Có rất nhiều phương án ghép kết hợp giữa các chuyển mạch S và T, ví dụ như T-S, S-T-S, T-S-T, T-S-S-T v…v
Do có khả năng tiếp thông hoàn toàn và không có hiện tượng blocking nên người ta mong muốn chỉ sử dụng một tầng T. Tuy vậy một tầng T chỉ dùng làm khối chuyển mạch không blocking có dung lượng tối đa 1024 TS. Với cấu trúc hai tầng TS và ST chỉ thích hợp cho các tầng chuyển mạch dung lượng nhỏ và vừa. Nhưng với phương án này sác xuất blocking sẽ tăng nhanh cùng với sự tăng dung lượng của chuyển mạch T. Do vậy ở các tổng đài dung
lượng vừa và lớn nhằm mục tiêu giảm blocking và tăng dung lượng khối chuyển mạch người ta thường dùng cấu trúc ba tầng.
Trước đây, cấu trúc S-T-S được sử dụng nhưng từ cuối thập niên 70 trở lại đây cấu trúc T-S-T chiếm ưu thế hơn và ngày nay cấu trúc này sử dụng rộng rãi nhất. Sở dĩ trước đây người ta sử dụng S-T-S là vì trình độ công nghệ lúc đó tránh chi phí lớn cho tốc độ hoạt động cao của vi mạch. Ngày nay các ưu điểmvầ tốc độ cao của RAM đã bù lại được vvề chi phí giá thành cho cả hai công nghệ chuyển mạch Svà T do đó cấu trúc T-S-T được ưa chuộng hơn.
Trong các tổng đài dung lượng cực lớn, các chuyển mạch tầng S có tác dụng chia nhỏ trường chuyển mạch thành một số tầng thành phần nhằm hạn chế kích thước của chúng do đó các cấu trúc 4 và 5 tầng T-S-S-T hoặc T-S-S-S-T đã được ứng dụng. Lưu ý rằng việc sử dụng cấu trúc chuyển mạch tầng S đa tầng giảm được tổng chi phí giá thành nhưng tăng chi phí để giải quyết vấn đề blocking.
Thei lý thuyết cấu trúc chuyển mạch T-S-T có hệ số tập trung là 1:1 có thể bảo đảm không xảy ra blocking nếu số lượng khe thời gian nội bộ qua tầng chuyển mạch S là 2n-1 trong đó n là số lượng khe thời gian ở trong các luồng PCM vào và ra của tầng chuyển mạch T ngoại vi. Tuy vậy thậm chí là cả khi mà số lượng khe thời gian trong và ngoài bằng nhau thì chất lượng phục vụ QoS vẫn rất tốt (khoảng 3.10-17 cho kênh có lưu lượng 0,7Erl và sẽ tăng lên tới 4,7.10-8 khi lưu lượng kênh là 0.8Erl). Hơn nữa, do không phải tất cả các khe thời gian ngoài ở luồng PCM được sử dụng để truyền tải lưu lượng mã số khe thời gian nội thường luôn luôn có sẵn cho việc định tuyến lưu lượng qua chuyển mạch tầng S và lưu lượng khe thời gian TS gnoài, nhờ đó mà thậm chí cả với những kênh lưu lượng cao 0,8Erl chất lượng dịch vụ QoS của T-S-T vẫn có thể giá trị 10-8 đến 10-10
Tóm lại việc lựa chọn cấu trúc cụ thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ phức tạp, kích thước trường chuyển mạch, lưu lượng phục vụ, kích thước Module, khả năng kiểm tra đo thử bảo dưỡng, mở rộng dung lượng v…v
Do các tính chất quý báu như trình bày trên đây, cấu trúc T-S-T được sử dụng rộng rãi nhất và nó được thiết kế dưới dạng các Module có kích thước phù hợp với công nghệ, ứng dụng thực tế và dễ phát triiển, dể vận hành và bảo dưỡng.
2.2.4.2Mạng chuyển mạch T-S-T
Khối chuyển mạch số cấu trúc T-S-T cấo tạo từ 3 tầng chuyển mạch T1, S và T2 kết nối với nhau như minh hoạ trên hình vẽ H2.13
Tầng chuyển mạch thời gian T1 phía đầu vào kết nối khe thời gian vào với một khe thời gian rỗi nào đó trong đường Bus dẫn tới đầu vào của tầng chuyển mạch không gian S. Trong khi đó tầng chuyển mạcch thời gian T2 phía đầu ra kết nối khe thời gian đã được chọn từ chuyển mạch tầng S tới khe thời gian ra yêu cầu. Như vậy cuộc gọi được kết nối qua trường chuyển mạch có thể được định tuyến qua tầng S với bất kỳ khe thời gian thích hợp nào.
Phù hợp với tính chất và ứng dụng của các luồng ghép kênh số cao tốc PCM từ bên ngoài vào/ra khối chuyển mạch khối chuyển mạch T-S-T, các chuyển mạch thời gian T2 ngược lại làm việc theo chế độ RWSR. Ngoài ra ưu điểm của chế độ hoạt đồng được lựa chọn trên đây làm cho việc điều khiển nội bộ khối chuyển mạch trở ra nên rõ ràng, đơn giản và dể thực hiện hơn. Thông thường dung lượng của các chuyển mạch thời gian T khoảng 1024TS, còn kích thước của ma trận chuyển mạch D là 8x8, 16x16 và 64x64 đường cao HW (HighWay) Để giải thích quá trình thực hiện nhiệm vụ chuyển mạch của khối chuyển mạch số cấu trúc T-S-T trên hình vẽ H2.13 đã chỉ rõ quá trình chuyển mạch phục vụ cho cuộc nối giữa khe thời gian TS#2 của luồng số đầu vào 2 với khe thời gian TS#31 của luồng tín hiệu PCM đầu ra B khe thời gian trung gian TS#7 ở tầng chuyển mạch không gian S.
Dựa vào nguyên tắc cấu tạo và hoạt động của các chuyển mạch tầng S, tầng T đã trình bày kỹ trong các mục 2.2.2 và 2.2.3 bạn đọc hãy tự khảo sát và mô tả cho quá trình thực hiện nhiệm vụ chuyển mạch nêu trên.
2.2.4.3Độ an toàn và tin cậy của khối chuyển mạch số
Các khối chuyển mạch số hiện đại có dung lượng khổng lồ, do đó bản thân chúng cùng các thiết bị điều khiển liên quan cần phải được đảm bảo độ an toàn tin cậy cao bởi vì một hỏng hóc nhỏ có thể gây ra hậu quả nghiêm trọng cho toàn bộ hệ thống. Các hệ thống chuyển mạch đầu cuối công cộng hiện đại yêu cầu thời gian hỏng bình quân trong chu kỳ 20-40 năm phụ thuộc vào các tính năng quản lý. Vì rằng chỉ có một trong số các cấu kiện của hệ thống, khối chuyển mạch tự nó cần phải đảm bảo chỉ một phần nhỏ trong tỷ suất hỏng hóc bất kỳ nào ảnh hưởng mạnh hơn một phần nhỏ mạch điện. Điều này yêu cầu phải xem xét cân nhắc thận trọng vấn đề đảm bảo độ tin cậy cao của các khối chuyển mạch số bởi vì dung lượng kênh của chúng khổng lồ và khối lượng cấu kiện phần cứng lớn. Ví dụ như nếu hỏng hóc phần cứng ở một Bus luồng PCM nội bộ giữa tầng T và tầng S có thể sẽ làm tổn thất 1024 kênh truyền dẫn.
Bảo vệ an toàn một cách có hiệu quả và đơn giản nhất cho trường chuyển mạch số có thể thực hiện bằng hai giải pháp: thiềt kế chế tạo theo Module và trang bị dự phòng.
Theo phương án dự phòng kép nghĩa là khối chuyển mạch được thiết kế chế tạo từ hai nửa khối hoàn toàn như nhau và mỗi nửa khối gọi là một “mặt” (Plane hay Side). Mỗi cuộc nối sẽ được thiết lập đồng thời với hai kênh dẫn song song đồng nhất qua các mặt A và B của khối chuyển mạch, trong đó một mặt làm việc thực sự (mặt tích cực) để kết nối kênh vào/ra phục vụ cuộc gọi, còn mặt kia là để dự phòng sao cho nếu mặt tích cực có vấn đề thì nó sẽ tự động thay thế.
Để giải quyết vấn đề như nêu trên, bổ sung vào khối chuyển mạch an toàn cần phải có cơ chế giám sát, phát hiện sai lỗi và hỏng hóc sao cho có thể cô lập được bộ phận thiết bị khi xảy ra sai lỗi. Đối với phương pháp trang bị kép đôi có thể sử dụng giải pháp kiểm tra tính chẳn lẻ đơn giản cả hai kênh song song tích cực/dự phòng để chỉ ra mặt bị sai lỗi, cụ thể là bit chẵn được bổ sung vào tổ hợp mã tín hiệu PCM 8bit trong hướng phát tại mỗi luồng kết đầu cuối vào của khối chuyển mạch. Luồng tín hiệu 9 bit sau đó được nhân đôi và đưa tới
chuyển mạch tầng T đầu vào tương ứng của cả hai mặt của khối chuyển mạch. Phía đầu thu mỗi tổ hợp mã PCM 9 bit từ cả hai sẻ được kiểm tra tính chẵn để phát hiện có sai lỗi hay không. Nếu phát hiện thay lỗi ở mặt nào thì lập tức mặt đó sẽ bị cô lập khỏi khối chuyển mạch một cách tự động hoàn toàn. Ngoài phương pháp trang bị dự phòng kép được sử dụng rất phổ biến nêu trên có thể sử dụng phương pháp tạp hơn ví dụ như dự phòng theo module N+1 hay dự phòng “N trong M” v..v
2.3 Kỹ thuật chuyển mạch gói:
Kỹ thuật chuyển mạch gói ngày nay đã trở thành một kỹ thuật rất có tiềm năng và quan trong trong lĩnh vực viễn thông bởi vì nó cho phép các nguồn tài nguyên Viễn thông sử dụng một cách hiệu quả nhất. Chuyển mạch gói có thể thích ứng với diện rất rộng các dịch vụ và yêu cầu của khách hàng. Trên thế giới ngày nay, mạng chuyển mạch gói cũng đang thể hiện hiệu quả và tính hấp dẫn của nó cho các dịch vụ viễn thông khác như điện thoại. Video và các dịch vụ băng rộng khác.
Quan điểm của chuyển mạch gói dựa trên khả năng của các máy tính số hiện đại tốc độ cao tác động vào bản tin cần truyền sao cho có thể chia cắt các cuộc gọi, các bản tin thành các thành các thành phần nhỏ gọi là “Gói” tin. Tuỳ thuộc vào việc thực hiện và hình thức của thông tin mà có thể có nhiều mức phân chia. Ví dụ một cách thực hiện phổ biến được áp dụng của chuyển mạch gói hiện nay là bản tin của người sử dụng được chia thành các Segments và sau đó các Segments lại được chia tiếp thành các gói (Packet) có kích thước chuẩn hoá. Hình vẽ H.2.14 minh hoạ giao thức cắt gói theo nguyên tắc nêu trên.
Các segments sau khi được chia cắt từ bản tin của khách hàng sẽ được xử lý chuẩn hoá tiếp bằng cách dán “Đầu” (leader) và “Đuôi” “Trailer”, như vậy chúng chứa ba trường số liệu là:Đầu chứa địa chỉ đích cùng các thông tin điều khiển mà mạng yêu cầu ví dụ như số thự tự của Segment#, mã kênh logic để tách các thông tin khách hàng đã ghép kênh, đánh dấu segment đầu tiên và segment cuối cùng của bản tin và nhiều thông tin khác liên quan tới chức năng quản lý và điều khiển từ “Đầu cuối-tới-Đầu Cuối”.
Bản tin ….. ……….………..………..…… độ dài L
Segment#1 Segment#2 Segment#n
Bản tin
Đầu Trường Tin CRC
Segment Trường Tin có độ dài tới M bit (M>=N)
Tiêu đề Tải tin (Tới N bit) CRC
Tạo khung bắt đầu Tạo khung kết thúc
Gói
Hình 2.14 Nguyên lý cắt mảnh và tạo Gói
Đối với các gói tin truyền qua mạng Chuyển mạch gói còn phải chứa các mẫu tạo khung để đánh dấu điểm đầu và điểm cuối của mỗi gói. Tiêu đề (Header) của gói tương tự như đầu của Segment, ngoài ra nó còn có thêm các thông tin mà mạng chuyển mạch yêu cầu để điều khiển sự truyền tải của các gói qua mạng, ví dụ như thông tin cần bổ sung vào tiêu đề của gói là địa chỉ Nguồn, địa chỉ Đích, số thự tự của gói và các khối số liệu điều khiển để chống vòng lặp, quản lý QoS, suy hao, lặp gói v…v
Trường số liệu điều khiển sai lỗi CRC cho phép hệ thống chuyển mạch gói phát hiện sai lỗi xảy ra trong gói nếu có, nhờ đó đảm bảo yêu cầu rất cao về độ chính xác truyền tin.
Các gói tin sẽ được chuyển qua mạng chuyển mạch gói từ Node chuyển mạch này tới node chuyển mạch khác trên cơ sổ “lưu đệm và phát chuyển tiếp”, nghĩa là mỗi node chuyển mạch sau khi thu một gói sẽ tạm thời lưu giữ một bản sao của gói vào bộ nhớ đệm cho tới khi cơ hội phát chuyển gói tới node tiếp theo hay thiết bị đầu cuối của người dùng được đảm bảo chắc chắn. Bởi vì mọi quá trình thông tin được cắt nhỏ thành các gói giống nhau nên các bản tin dù dài hay ngắn đều có thể chuyển qua mạng với sự ảnh hưởng lẫn nhau ít nhất và nhờ sự chuyển tải các gói qua mạng gấn như nhau được thực hiện trong thời gian thực nên chuyển mạch có thể đáp ứng được yêu cầu hoạt động một cách nhanh chóng kể cả khi có sự thay đổi mẫu lưu lượng hoặc có sự hỏng hóc một phần hay nhiều tính hăng khác của mạng.
Hình vẽ H2.15 minh hoạ nguyên tắc hoạt động của mạng chuyển mạch gói.
SIEMENSN N IXDORF PSWs User A SIEMENS NIXDORF User B PSWđ Hình 2.15 Mạng chuyển mạch gói
Các bản tin của khách hàng từ máy chủ gọi A sẽ không được gởi một cách tức thì và trọn vẹn qua mạng tới máy bị gọi như trong mạng chuyển mạch bản tin, mà sẽ được cắt và tạo thành các gói chuẩn ở Node chuyển mạch goi nguồn PSWs. Mỗi gói sẽ được phát vào mạng một cách riêng rẽ độc lập và chúng sẽ dịch chuyển về Node chuyển mạch gói đích PSWđ theo một đường fẫn khả dụng tốt nhất tại bất kỳ thời điểm nào đồng htời mỗi gói sẽ được kiểm tra giám sát lỗi trên dọc hành trình. Tại PSWđ các gói sẽ tái hợp lại để tạo thành bản tin nguyên vẹn ban đầu rồi gửi tới thuê bao B. Ưu điểm đặc sắc của chuyển mạch gói là kênh truyền dẫn chỉ bị chiếm dụng trong thời gian thực sự truyền gói tin, sau đó kênh sẽ trở thành rỗi và khả dụng cho một bản tin có thể được truyền một cách đồng thời và có thể theo các tuyến hoàn toàn các tính năng truyền dẫn của hệ thống.
Nguyên tắc cơ bản của trường chuyển mạch gói được minh hoạ trên hình vẽ H.2.16 sau đây: Bộ Nhớ Controller Số liệu vào Và các gói ĐK Buffer Bộ Nhớ Controller Số liệu vào Và các gói ĐK Buffer
Bus Số liệu Bus điều khiển
Số liệu đến và các gói điều khiển được phân phối vào các bộ đệm mà tại đó chúng được kiểm tra, giám sát lỗi. Sau đó chúng được tạm thời lưu trữ lại để sẵn sàng chuyển vào Bus số liệu hoặc được diễn giải bởi bộ điều khiển Controller để tạo ra các tác động điều khiển. Gói số liệu vào có thể được truyền vào Bus số liệu dạng nối tiếp hoặc song song và sau đó được